JP3625523B2 - Single electronic element, semiconductor memory device, and manufacturing method thereof - Google Patents

Single electronic element, semiconductor memory device, and manufacturing method thereof Download PDF

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Description

【0001】
【産業上の利用分野】
本発明は、半導体装置およびその製造方法に係り、特に単一電子素子を用いた単一電子メモリの構造、およびその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
単一電子素子は究極の高集積低電力素子として期待されているが、これまで極低温でしか動作しないという大きな障害があった。1993年、日立の矢野等は、超薄膜多結晶シリコン(以下Siという)トランジスタを用いることにより、世界で始めて単一電子素子(単一電子メモリ)の室温動作に成功した(IEEE Int. Electron Devices Meet. 1993, pp541〜544)。以下、矢野等が開発した単一電子メモリの構造とその動作原理の概要を、図17〜図19を用いて説明する。
図17に超薄膜多結晶Siトランジスタの平面図(a)および断面図(b)を示す。ここで断面図は平面図中のa−a′における断面を示すものである。先ず最初に、単結晶Si基板801を熱酸化して500nmのSiO膜802を形成した後、化学気相成長法(CVD法)を用いて、リンを含んだ多結晶Si膜803を100nm堆積する。次に、周知のリソグラフィー及びドライエッチング法により、上記リンドープ多結晶膜803を所望の形状に加工してソース803(a)、ドレイン803(b)を形成する。続いて、CVD法によりチャネル層804となる非晶質Si膜を4nm堆積した後、750℃の窒素雰囲気中で熱処理を行ない、上記非晶質Si膜を多結晶Si膜804に変換する。
超薄膜ポリシリコントランジスタの特性を決定するキーポイントの一つは、このチャネル多結晶Si膜804の膜厚とその局所的な膜厚不均一性であり、膜厚は薄いほど、また局所的な膜厚不均一性が大きい方が望ましい。
次に、電子線(EB)リソグラフィー、及びドライエッチング技術を用いて、チャネル多結晶Si膜804を加工する。このときチャネル多結晶Si幅Wは、極力小さいことが望ましく、具体的には約100nm以下であることが好ましい。最後に、CVD法によりゲート絶縁膜805となるSiO 膜805を約50nm、ゲート電極806となるリンドープ多結晶Si806を100nm堆積した後、周知の技術によりゲート電極806を形成し、超薄膜多結晶Siトランジスタの形成を終了する。
【0003】
チャネル多結晶Si膜が極めて薄い(約2〜10nm)超薄膜多結晶Siトランジスタは、従来からSRAMの負荷素子として用いられている多結晶Siトランジスタ(30〜40nm)とは異なる特性を示す。図18(a)に示したように、ゲート電極に電圧を印加すると抵抗の最も小さい経路、つまり多結晶Siの膜厚の厚い場所に沿って超薄膜多結晶Siトランジスタの電流経路(チャネル)が形成される。このチャネル幅は、多結晶Si膜のグレインサイズと同等の大きさであり、約5〜10nmの極めて細いチャネルが形成される。ゲートバイアスを更に印加していくと、チャネルから電子が弾き出され、チャネル近傍のグレイン内(蓄積ノード)に電子が注入される。この電子によりチャネルと蓄積ノードの電位差が無くなり、電子は蓄積ノードに閉じ込められることになる。これが情報の書き込みに対応する。このような状態になると(図18(b))、閉じ込められた電子とのクーロン反発力によりドレイン電流が減少する。これは、蓄積ノード内の電子の有無によりトランジスタのしきい値がシフトすることを意味しており、しきい値を測定することにより情報(1または0)を判定することが出来る。
上記した現象は、チャネル多結晶Si膜が極めて薄く(10nm以下)、更にチャネル幅が約100nm以下と、限られた条件下において起るものであり、SRAMの負荷素子として用いられている多結晶Siトランジスタでは、このような現象は起らない。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
超薄膜多結晶Siトランジスタを用いた単一電子メモリの技術的課題の一つは、安定したチャネル形成である。図19に示したように、チャネルが形成される多結晶Si膜の幅Wが大きい場合は、同層内にチャネルが複数形成される可能性が大きくなる。複数のチャネルが同時に遮断されれば特に問題は起らないが、遮断されていないチャネルが存在すれば電流密度の変化量が小さくなり、判定が困難となる。また、チャネルに係る容量が小さい程しきい値のシフト量が大きくなることから、多結晶Si膜の幅は極力小さい方が好ましい。具体的には、100nm以下の幅が必要となる。
しかし、現状のリソグラフィー技術で100nmの細線をパターンニングする方法は、電子線(EB)リソグラフィーまたはX線リソグラフィーしかない。これらの方法は処理に多大の時間を要するだけでなく、再現性および技術的な面で未だ問題点が多く、大容量のメモリを量産化する際のネックとなっている。
【0005】
本発明の目的は、100nm以下の幅の多結晶Si膜のチャネル層を容易に形成できる構造の単一電子素子、およびこれを用いた半導体記憶装置、ならびにその製造方法を提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明の単一電子素子では、ソースとドレインに接続された薄い多結晶シリコン膜のチャネル層を有する絶縁ゲート型電界効果トランジスタとしての単一電子素子において、例えば図8の断面図の絶縁膜405にみられるように、上記ソース(404(a))とドレイン(404(b))をまたぎ、かつチャネル層の幅に相当する厚さの絶縁膜(例えば図8では70nmの厚さの絶縁膜405)を有して、その側壁に上記チャネル層(407(a)または407(b))を形成した構造を備えることとする。
【0007】
ここで、上記チャネル層の膜厚は10nm以下で、またチャネル層の幅は100nm以下とするのがよい。
【0008】
またこの場合、上記チャネル層がコの字形の断面形状を有するように下地の絶縁膜を形成することが一つの特徴である。
【0009】
また、上記チャネル層の下地の絶縁膜のチャネル層に接する表面に、窒素原子が含まれていることが薄い安定なチャネル層を形成するのに好ましい。
【0010】
さらにあるいは、上記チャネル層の表面に保護膜としての絶縁膜を備えるようにすることにより損傷や汚染のない良質のチャネル層が得られ望ましい。
【0011】
また上記の目的を達成するための本発明の半導体記憶装置では、複数のデータ線と、これに交叉するワード線と、その交叉する位置に記憶素子を有するメモリアレー構成の半導体記憶装置において、その記憶素子が上記の本発明の単一電子素子であり、この単一電子素子を例えば図13にみられるように、そのソースとドレインをそれぞれ隣合うデータ線に接続し、ゲートをワード線に接続した構成を備えることとする。
【0012】
ここで、例えば図13または図14にみられるように、複数の単一電子素子が、それぞれのソースを共通のデータ線に接続し、その共通のデータ線を挟んで隣合うデータ線にそれぞれのドレインを接続し、さらにそれぞれのゲートを共通のワード線に接続する構成を備えるようにすることもできる。
【0013】
あるいは例えば図15または図16にみられるように、上記複数の単一電子素子の複数組がさらにワード線を共通にする構成を備えるようにすれば、同一のゲート電極で複数の素子を制御することができる。
【0014】
また、上記目的を達成するための本発明の単一電子素子の製造方法では、チャネル層を形成する工程として、例えば図1の(a)図にみられるように、シリコン基板101上に、その基板の表面層を形成させる第1の絶縁膜102と、チャネル層の下地膜としてチャネル層の幅に相当する厚さの第2の絶縁膜103と、その第2の絶縁膜よりエッチングレートの遅い第3の絶縁膜104とを順次形成する工程と、第2、第3の絶縁膜を所定の形状に加工する工程と、第2の絶縁膜103の側壁をエッチングして、第3の絶縁膜104のエッジ部分より後退させてコの字形の断面形状を形成する工程と、(b)図にみられるように、上記絶縁膜上に多結晶シリコン膜105を形成する工程と、(c)図にみられるように、異方性ドライエッチングにより上記多結晶シリコン膜105をエッチングして、第2の絶縁膜の側壁に多結晶シリコン膜105(a)、105(b)を残す工程を少なくとも含むこととする。
【0015】
さらに上記目的を達成するための本発明の半導体記憶装置の製造方法としては、複数のデータ線と、これに交叉するワード線と、その交叉する位置に記憶素子を有するメモリアレー構成の半導体記憶装置の製造方法において、上記記憶素子の形成工程に、例えば図8、図14にみられるように、上記本発明の単一電子素子の製造方法の工程を含むこととする。
【0016】
【作用】
本発明の単一電子素子の構成では、ソースとドレインをまたぎ、かつチャネル層の幅に相当する厚さの絶縁膜をチャネル層形成の下地として、その側壁にチャネル層を形成した構造を備えるものであり、このため本発明によれば、超薄膜多結晶シリコン膜の幅を下地の絶縁膜の膜厚により制御できるようになる。したがって100nm以下の幅でも極めて容易に形成することが可能になる。また、通常の光リソグラフィー、およびエキシマレーザリソグラフィー技術が適用できるので、量産性が飛躍的に向上する。
この場合、絶縁膜の側壁におけるチャネル層の形成については、本発明の単一電子素子の製造方法で、チャネル層形成の下地となる第2の絶縁膜の上に、これよりエッチングレートの遅い第3の絶縁膜を形成することにより、これらの絶縁膜を所定の形状に加工した後のエッチングにより、第3の絶縁膜のエッジ部分より第2の絶縁膜を後退させてコの字形の断面形状を容易に形成することが可能になる。そしてこれにより、これらの絶縁膜面に対するその後の多結晶シリコン膜の形成、および異方性ドライエッチングにより、コの字形のチャネル層が下地の絶縁膜の側壁に残ることとなり、チャネル層が容易に形成されることになる。
以上のように、本発明によれば、100nm以下の幅のチャネル層も容易に形成できることから、単一電子素子のみならずこれを用いた半導体記憶装置の構成も容易になる。
【0017】
【実施例】
(実施例1)
以下、図1を用いて本発明のチャネル形成の第1の実施例を説明する。
先ず図1(a)において、最初にP型、(100)単結晶Si基板101を1000℃の水蒸気雰囲気中で熱酸化して、厚さ500nmのSiO膜102を形成した後、CVD法により100nmのSiO膜103、30nmのSi膜104を順次堆積する。本実施例では、SiO膜103はモノシラン(SiH)と亜酸化窒素(NO)を用いて750℃の温度で、Si膜104はジクロルシラン(SiHCl)とアンモニア(NH)を用いて770℃の温度で堆積を行った。
次に、周知の光リソグラフィーおよびドライエッチング法により、上記Si104/SiO103積層膜を順次エッチングした後、1%のHF水溶液により上記SiO膜103の側壁部をエッチングしてSi膜104パターンエッジよりも後退させる。この場合に、Si104はSiO103よりエッチングレートが遅いので、エッチングによりSiO膜の側壁がSi膜のエッジ部分より後退する。本実施例においては、約15nmの後退をエッチングにより行った。
続いて、図1(b)において、CVD法により厚さ4nmの非晶質Si膜を堆積した後、800℃の窒素雰囲気中で熱処理を行い、非晶質Si膜を多結晶Si膜105に変換する。本実施例では非晶質Si膜の堆積にモノシラン(SiH)を用い520℃の温度で堆積を行ったが、ジシラン(Si)を用いることも無論可能である。
次に、図1(c)において、異方性ドライエッチング法により上記多結晶Si膜105をエッチングする。異方性ドライエッチングによれば、Si膜104でマスクとなっている部分はエッチングされないので、SiO膜103パターン側壁部には、ほぼSiO膜厚分の多結晶Si膜パターン105(a),105(b)が形成される。
本実施例で重要なことは、超薄膜多結晶Si105の膜厚分以上にSi膜104パターンエッジからSiO膜103を後退させることである。SiO膜103を後退させない方法、つまりSi膜104をマスクとして用いない場合は、SiO膜103側壁の多結晶Si膜105もエッチングされてしまうので所望の幅を確保出来ない。
本方法によれば、100nm以下の幅を制御性良く形成出来ること、および超薄膜多結晶Si膜105の断面形状がコの字型になることが大きな特徴である。
【0018】
(実施例2)
次に、本発明の第2のチャネル形成の実施例を図2を用いて説明する。
図2(a)において、実施例1と同様の方法で、単結晶Si基板201上に500nmのSiO膜202、SiO膜203、およびSi膜204を形成した後、Si204/SiO203積層膜をパターンニングする。この後、1%HF水溶液を用いて露出したSiO膜203側壁部を15nmエッチングする。
続いて、図2(b)において、CVD法により4nmの非晶質Si膜、および10nmのSiO膜206を順次堆積する(図2(b))。上記非晶質Si膜は、10nmのSiO膜206を堆積する際、炉内の温度(750℃)により多結晶Si膜205に変換される。
次に、図2(c)において、異方性ドライエッチング法により上記SiO膜206、および多結晶Si膜205を順次エッチングして、SiO膜203パターン側壁に多結晶Si膜205を残す。
本方法によれば、多結晶Si膜205のエッチングの際、10nmのSiO膜206が保護膜となるので、プラズマダメージや汚染等の混入が全く無い良質の多結晶Si膜205を得ることが出来る。
【0019】
(実施例3)
次に、図3を用いて本発明のチャネル形成の第3の実施例を説明する。
図3(a)において、P型、(100)単結晶Si基板301を1000℃の水蒸気雰囲気中で熱酸化して、厚さ500nmのSiO膜302を形成した後、CVD法により50nmのSi膜303、50nmのSiO膜304、30nmのSi膜305を順次堆積する。
次に、周知の光リソグラフィーおよびドライエッチング法により、上記Si305/SiO304積層膜を順次エッチングした後、1%のHF水溶液により上記SiO膜304の側壁部をエッチングしてSi膜305よりも後退させる。本実施例においては、約10nmのエッチングを行った。続いて、800℃のアンモニア(NH)雰囲気中で10分間の熱処理を行い、CVD−SiO膜304膜の側壁部を窒化する。
次に、図3(b)において、CVD法により厚さ2.5nmの非晶質Si膜を堆積した後、短時間ランプアニール法を用いて900℃、30秒の窒素雰囲気中で熱処理を行い、非晶質Si膜を多結晶Si膜306に変換する。本実施例では非晶質Si膜の堆積にジシラン(Si)を用い450℃の温度で堆積を行った。
CVD法により堆積する薄いSi膜は、下地表面の核発生密度と密接な関係があり核発生密度の小さい膜上では薄い連続膜を得ることが出来ない。一般に、SiO膜上に比べSi膜上に堆積する方が薄い連続膜が得られるため、超薄膜Si膜の下地膜としてはSiO膜は好ましくない。しかし、Si膜を堆積する前にアンモニア雰囲気中で熱窒化を行えば、下地膜種に依らず薄い連続膜を得ることが可能となる。本実施例では、Si305/SiO304のパターニングを行った後に、アンモニアによる窒化処理を行ったが、SiO304堆積直後に窒化処理を行っても同様な結果が得られる。
一方、多結晶Si膜のグレインサイズは、膜厚と結晶化方法によって大きく異なる。より小さいグレインサイズを得るには、Si膜厚を薄くすること、および高温短時間で結晶化する方法が有効である。本実施例で作製した多結晶Si膜306のグレインサイズは、3〜8nmと非常に微細な結晶粒が得られた。
次に、図3(c)において、実施例2と同様の方法で、多結晶Si膜306のエッチングの保護膜となるCVD−SiO膜307を10nm堆積した後、異方性ドライエッチング法により上記CVD−SiO307/多結晶Si膜306を順次エッチングして、窒化したSiO膜204パターン側壁に多結晶Si膜306を残す。
【0020】
(実施例4)
次に、第4の実施例として、実施例1、3で示した方法を用いて試作した超薄膜多結晶Siトランジスタの実施例を示す(図4〜図8、図13〜図14)。図4〜図8に本実施例の製作工程を、また図13に、本実施例で試作した超薄膜多結晶Siトランジスタのメモリアレー部の等価回路図を、図14にそのメモリアレー部の平面レイアウト図をそれぞれ示す。
図4、図14において、P型、(100)単結晶Si基板401を熱酸化して、500nmのSiO膜402を形成した後、CVD法により50nmのSi膜403、および高濃度にリンを含んだ70nmのリンドープ多結晶Si膜404を順次堆積する。続いて、クリプトンフロライド(KrF)エキシマレーザリソグラフィーおよびドライエッチング法により、上記リンドープ多結晶Si膜404をパターンニングして、多結晶Siトランジスタのソース、ドレインとなる共通ソース線404(a),601、およびデータ線404(b),602(a),602(b)を形成する。本実施例においては、上記リンドープ多結晶Si膜404,601,602の堆積にモノシラン(SiH)とフォスフィン(PH)ガスを用い、600℃の温度で堆積を行った。この後、CVD法により70nmのSiO膜405、30nmのSi膜406を順次堆積した後、共通ソース線404(a),601、データ線404(b),602,(a)(b)に直交するようにSi406/SiO405積層膜のパターンニングを行う。
【0021】
次に、図5、図14において、1%のフッ酸水溶液を用いて上記70nmのSiO膜405の側壁部をエッチングしてSi膜406パターンエッジから約15nm後退させた後、750℃のアンモニア雰囲気中で熱処理を行いSiO膜405の側壁部を窒化処理する。続いて、CVD法を用いて約3nmの非晶質Si膜を堆積した後、短時間アニール法により900℃、30秒の熱処理を行い上記非晶質Si膜を多結晶Si膜407,603に変換する。本実施例においては、上記非晶質Si膜の堆積にモノシラン(SiH)を用い、500℃の温度で堆積を行った。
【0022】
次に、図6、図14において、異方性ドライエッチング法により多結晶Si膜407,603をエッチングする。Si膜406がマスクとなっている部分はエッチングされないため、Si406/SiO405積層膜周辺は、厚さ約3nm、幅70nm程度の多結晶Si膜407のパターンが形成される。
【0023】
次に、図7、図14において、エキシマリソグラフィー法により所定の形状にホトレジストパターン408を形成した後、等方性ドライエッチング技術により多結晶Si膜407の不要な部分(図7(b)で共通ソース線404(a)、データ線404(b)の配線と平行する405の両端部分、および図14のチャネル層除去部分)をエッチングする。この工程で、多結晶Si膜パターン407(a),407(b),603は個々に絶縁されることになる。
次に、酸素プラズマアッシャ処理を行い、ホトレジストパターン408を除去した後、稀フッ酸水溶液によりウエーハ表面の洗浄を行う。
【0024】
次に、図8、図14において、CVD法によりゲート絶縁膜409となるSiO膜409を20nm、ゲート電極410,604となるリンドープ多結晶Si膜410,604を50nm堆積した後、エキシマレーザリソグラフィーおよびドライエッチング法により上記リンドープ多結晶Si膜410,604パターンニングしてワード線(ゲート電極)410(a),410(b),604とする。
【0025】
図13、図14において、共通ソース線601、データ線602(a),(b)、およびワード線604のパターンニングには、KrFエキシマレーザリソグラフィーと位相シフト技術を適用し、最小加工寸法0.16μm(ピッチ0.32μm)のライン/スペースを実現した。また、チャネルが形成される超薄膜多結晶Si膜603の線幅は、光リソグラーフィー解像限界以下の70nmを達成した。
【0026】
(実施例5)
次に、図9〜図12、図15〜図16を用いて本発明の第5の実施例を示す。図9〜図12に本実施例の製作工程を、また図15に、本実施例で試作した超薄膜多結晶Siトランジスタのメモリアレー部の等価回路図を、図16にそのメモリアレー部の平面レイアウト図を示す。
図9において、実施例3と同様の方法で、単結晶Si基板501上に500nmのSiO膜502、50nmのCVD−Si膜503、および50nmのリンドープ多結晶Si膜504を形成した後、上記リンドープ多結晶Si膜504をパターンニングして共通ソース線504(a),701、データ線504(b),702(a),(b)とする。次に、50nmのCVD−SiO膜505、30nmのCVD−Si膜506を順次堆積した後、Si506/SiO505/Si503積層絶縁膜を所定の形状に加工する。続いて、1%フッ酸水溶液で積層絶縁膜のSiO膜505側壁部分をエッチングして、パターンエッジより20nm後退させる。この後、750℃のアンモニア雰囲気中で10分間の熱処理を行い、SiO膜505側壁部分の窒化を行う。
【0027】
次に、図10、図16において、ジシラン(Si)の熱分解を用いたCVD法により、6nmの非晶質Si膜を堆積した後、ランプ加熱による短時間酸化法により上記非晶質Si膜を酸化して多結晶Si膜507,703に変換すると共に、6nmのSiO膜508を形成する。本実施例においては、上記SiO膜508を1000℃の乾燥酸素雰囲気により形成した。このSiO膜508の形成により、多結晶Si膜507,703の膜厚は堆積時の7nmから3nmへ薄膜化されると同時に、多結晶Si膜507,703のドライエッチングによるダメージ、汚染等の保護膜となる。次に、多結晶Si膜507,703のエッチングの保護膜となるSiO508膜、および多結晶Si膜507,703を順次エッチングして、窒化したSiO膜505パターン側壁に多結晶Si膜507,703を残す。
【0028】
次に、図11、図16において、1%希フッ酸水溶液により、上記多結晶Si膜507上のSiO508膜を除去した後、実施例4と同様にエキシマリソグラフィー法により所定の形状にホトレジストパターンを形成し、等法性ドライエッチング技術により多結晶Si膜507,703の不要な部分(図11では共通ソース線504(a)、データ線504(b)の配線と平行する505の両端部分および図16のチャネル層除去部分)をエッチングする。この工程で、多結晶Si膜パターン507(a),507(b),703は個々に絶縁されることになる。
【0029】
次に図12、図16において、CVD法によりゲート絶縁膜509となるSiO膜509を20nm、ゲート電極510,704となるリンドープ多結晶Si膜510,704を50nm堆積した後、エキシマレーザリソグラフィーおよびドライエッチング法により上記リンドープ多結晶Si膜510,704パターンニングしてワード線(ゲート電極)510,704とする。
【0030】
図15、図16に示すように、本実施例では、1つのゲート電極(ワード線)704で、独立した2つのトランジスタが動作するようになっている。すなわち、ドレイン電流はしきい値の低いトランジスタの方で律速するようになるため、トランジスタ1つの場合に比べ素子間のしきい値のバラツキを低減することができる。また、本実施例では2つのトランジスタを同一ゲート電極で制御するようにしたが、2つ以上の制御も可能である。また、チャネルが形成される超薄膜多結晶Si膜703の線幅は、光リソグラーフィー解像限界以下の50nmを達成した。
【0031】
【発明の効果】
本発明の単一電子素子によれば、超薄膜多結晶Si膜の幅を下地の絶縁膜の膜厚により制御できるため、100nm以下の幅でも極めて容易に制御できる。また、通常の光リソグラフィー、およびエキシマレーザリソグラフィー技術が適用できるので、量産性が飛躍的に向上する。したがって、単一電子素子を用いた半導体記憶素子を容易に構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施例を示す断面図。
【図2】本発明の第2の実施例を示す断面図。
【図3】本発明の第3の実施例を示す断面図。
【図4】本発明の第4の実施例を示す平面図および断面図。
【図5】本発明の第4の実施例を示す平面図および断面図。
【図6】本発明の第4の実施例を示す平面図および断面図。
【図7】本発明の第4の実施例を示す平面図および断面図。
【図8】本発明の第4の実施例を示す平面図および断面図。
【図9】本発明の第5の実施例を示す平面図および断面図。
【図10】本発明の第5の実施例を示す平面図および断面図。
【図11】本発明の第5の実施例を示す平面図および断面図。
【図12】本発明の第5の実施例を示す平面図および断面図。
【図13】本発明の第4の実施例を示すメモリアレー部の等価回路図。
【図14】本発明の第4の実施例を示すメモリアレー部の平面レイアウト図。
【図15】本発明の第5の実施例を示すメモリアレー部の等価回路図。
【図16】本発明の第5の実施例を示すメモリアレー部の平面レイアウト図。
【図17】従来方法を説明する平面図および断面図。
【図18】単一電子素子の説明を行う補足図。
【図19】単一電子素子の問題点の説明を行う補足図。
【符号の説明】
101,201,301,401,501,801………………結晶Si基板
102,202,302,402,502,802………………Si熱酸化膜
103,203,304,405,505……………………CVD−SiO
104,204,303,305403,406,503,506………CVD−Si
105,205,306,407,507,804………………超薄膜多結晶Si(チャネル層)
409,509,805………………………………ゲート酸化膜
410,510,604,704,806……………………ゲート電極(ワード線)
404(a),504(a),601,701,803(a)…………ソース(共通ソース線)
404(b),504(b),602,702,803(b)…………ドレイン(データ線)
[0001]
[Industrial application fields]
The present invention relates to a semiconductor device and a manufacturing method thereof, and more particularly, to a structure of a single electronic memory using a single electronic element and a manufacturing method thereof.
[0002]
[Prior art]
Single-electron devices are expected as the ultimate highly integrated low-power devices, but there has been a major obstacle that they can only operate at extremely low temperatures. In 1993, Hitachi's Yano et al. Successfully used a single-electron device (single-electron memory) at room temperature for the first time in the world by using an ultra-thin polycrystalline silicon (hereinafter referred to as Si) transistor (IEEE Int. Electron Devices). Meet. 1993, pp 541-544). Hereinafter, the structure of the single electronic memory developed by Yano et al. And the outline of the operation principle will be described with reference to FIGS.
FIG. 17 shows a plan view (a) and a sectional view (b) of an ultra-thin polycrystalline Si transistor. Here, the cross-sectional view shows a cross-section at aa ′ in the plan view. First, the single crystal Si substrate 801 is thermally oxidized to form a 500 nm SiO film.2After forming the film 802, a polycrystalline Si film 803 containing phosphorus is deposited to a thickness of 100 nm by chemical vapor deposition (CVD). Next, the phosphorus-doped polycrystalline film 803 is processed into a desired shape by well-known lithography and dry etching methods to form a source 803 (a) and a drain 803 (b). Subsequently, after depositing 4 nm of an amorphous Si film to be the channel layer 804 by CVD, heat treatment is performed in a nitrogen atmosphere at 750 ° C. to convert the amorphous Si film into a polycrystalline Si film 804.
One of the key points that determine the characteristics of the ultra-thin polysilicon transistor is the thickness of the channel polycrystalline Si film 804 and its local film thickness non-uniformity. It is desirable that the film thickness non-uniformity is large.
Next, the channel polycrystalline Si film 804 is processed using electron beam (EB) lithography and dry etching technology. At this time, the channel polycrystalline Si width W is desirably as small as possible, and specifically, is preferably about 100 nm or less. Finally, SiO which becomes the gate insulating film 805 by the CVD method2  After depositing about 100 nm of the film 805 and 100 nm of phosphorus-doped polycrystalline Si 806 to be the gate electrode 806, the gate electrode 806 is formed by a well-known technique, and the formation of the ultra-thin polycrystalline Si transistor is completed.
[0003]
An ultra-thin polycrystalline Si transistor having a very thin channel polycrystalline Si film (about 2 to 10 nm) exhibits characteristics different from those of a polycrystalline Si transistor (30 to 40 nm) conventionally used as a load element of SRAM. As shown in FIG. 18A, when a voltage is applied to the gate electrode, the current path (channel) of the ultra-thin polycrystalline Si transistor is along the path with the smallest resistance, that is, along the thick polycrystalline Si film. It is formed. This channel width is as large as the grain size of the polycrystalline Si film, and an extremely narrow channel of about 5 to 10 nm is formed. As the gate bias is further applied, electrons are ejected from the channel and injected into the grains (storage nodes) near the channel. This electron eliminates the potential difference between the channel and the storage node, and the electron is confined in the storage node. This corresponds to the writing of information. In such a state (FIG. 18B), the drain current decreases due to the Coulomb repulsion with the confined electrons. This means that the threshold value of the transistor shifts depending on the presence or absence of electrons in the storage node, and information (1 or 0) can be determined by measuring the threshold value.
The above-mentioned phenomenon occurs under the limited condition that the channel polycrystalline Si film is extremely thin (10 nm or less) and the channel width is about 100 nm or less, and is used as a load element of SRAM. Such a phenomenon does not occur in the Si transistor.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
One of the technical problems of single-electron memory using ultra-thin polycrystalline Si transistors is stable channel formation. As shown in FIG. 19, when the width W of the polycrystalline Si film in which the channel is formed is large, the possibility that a plurality of channels are formed in the same layer increases. If a plurality of channels are blocked simultaneously, no particular problem occurs. However, if there are channels that are not blocked, the amount of change in current density becomes small, making determination difficult. Further, since the threshold shift amount increases as the capacitance related to the channel decreases, the width of the polycrystalline Si film is preferably as small as possible. Specifically, a width of 100 nm or less is required.
However, electron beam (EB) lithography or X-ray lithography is the only method for patterning 100 nm thin lines with current lithography technology. These methods not only require a great deal of processing time, but also have many problems in terms of reproducibility and technical aspects, and become a bottleneck when mass-producing large-capacity memories.
[0005]
An object of the present invention is to provide a single electronic device having a structure capable of easily forming a channel layer of a polycrystalline Si film having a width of 100 nm or less, a semiconductor memory device using the same, and a method for manufacturing the same.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
To achieve the above object, the single electronic device of the present invention is a single electronic device as an insulated gate field effect transistor having a thin polycrystalline silicon film channel layer connected to a source and a drain. As shown in the insulating film 405 in the sectional view of FIG. 8, the insulating film having a thickness corresponding to the width of the channel layer (for example, FIG. 8) spans the source (404 (a)) and the drain (404 (b)). Then, an insulating film 405 having a thickness of 70 nm is provided, and the channel layer (407 (a) or 407 (b)) is formed on the sidewall thereof.
[0007]
Here, the thickness of the channel layer is preferably 10 nm or less, and the width of the channel layer is preferably 100 nm or less.
[0008]
In this case, it is one feature that the underlying insulating film is formed so that the channel layer has a U-shaped cross-sectional shape.
[0009]
Further, it is preferable that a nitrogen atom is contained on the surface of the insulating film underlying the channel layer in contact with the channel layer in order to form a thin stable channel layer.
[0010]
Furthermore, it is desirable to provide a good quality channel layer free from damage and contamination by providing an insulating film as a protective film on the surface of the channel layer.
[0011]
According to another aspect of the present invention, there is provided a semiconductor memory device having a memory array configuration having a plurality of data lines, word lines crossing the data lines, and memory elements at the crossing positions. The storage element is the above-described single electronic element of the present invention. As shown in FIG. 13, for example, the single electronic element has its source and drain connected to adjacent data lines and its gate connected to a word line. Suppose that it has the composition which was done.
[0012]
Here, as seen in FIG. 13 or FIG. 14, for example, a plurality of single electronic elements connect each source to a common data line, and each adjacent data line across the common data line. It is also possible to provide a configuration in which the drain is connected and each gate is connected to a common word line.
[0013]
Alternatively, for example, as shown in FIG. 15 or FIG. 16, if a plurality of sets of the plurality of single electronic elements are further provided with a configuration in which a word line is shared, a plurality of elements are controlled by the same gate electrode. be able to.
[0014]
Further, in the method for manufacturing a single electronic device of the present invention for achieving the above object, as a step of forming a channel layer, for example, as shown in FIG. A first insulating film 102 for forming a surface layer of the substrate, a second insulating film 103 having a thickness corresponding to the width of the channel layer as a base film for the channel layer, and an etching rate slower than that of the second insulating film A step of sequentially forming the third insulating film 104; a step of processing the second and third insulating films into a predetermined shape; and etching the sidewall of the second insulating film 103 to form a third insulating film A step of forming a U-shaped cross-sectional shape by retreating from the edge portion of 104, a step of forming a polycrystalline silicon film 105 on the insulating film, as shown in FIG. As seen in the anisotropic dry etch By then etching the polycrystalline silicon film 105, the side walls of the second insulating film polycrystalline silicon film 105 (a), and comprise at least a step of leaving a 105 (b).
[0015]
In order to achieve the above object, a semiconductor memory device manufacturing method according to the present invention includes a plurality of data lines, a word line crossing the data line, and a memory array structure having a memory element at the crossing position. In the manufacturing method, the process for forming the memory element includes the process of the method for manufacturing a single electronic element of the present invention as shown in FIGS.
[0016]
[Action]
The structure of the single electronic device according to the present invention includes a structure in which a channel layer is formed on the side wall of an insulating film having a thickness corresponding to the width of the channel layer as an underlayer for forming the channel layer. Therefore, according to the present invention, the width of the ultra-thin polycrystalline silicon film can be controlled by the thickness of the underlying insulating film. Therefore, it can be formed very easily even with a width of 100 nm or less. In addition, since ordinary optical lithography and excimer laser lithography techniques can be applied, mass productivity is dramatically improved.
In this case, the channel layer is formed on the side wall of the insulating film by the method for manufacturing a single electronic device of the present invention, on the second insulating film serving as a base for forming the channel layer, with a slower etching rate. The third insulating film is formed, and after etching these insulating films into a predetermined shape, the second insulating film is retracted from the edge portion of the third insulating film, and a U-shaped cross-sectional shape is formed. Can be easily formed. As a result, a U-shaped channel layer remains on the side wall of the underlying insulating film by forming a subsequent polycrystalline silicon film on these insulating film surfaces and anisotropic dry etching, and the channel layer can be easily formed. Will be formed.
As described above, according to the present invention, since a channel layer having a width of 100 nm or less can be easily formed, not only a single electronic element but also a semiconductor memory device using the same can be easily configured.
[0017]
【Example】
Example 1
Hereinafter, a first embodiment of channel formation according to the present invention will be described with reference to FIG.
First, in FIG. 1A, a P-type (100) single crystal Si substrate 101 is first thermally oxidized in a water vapor atmosphere at 1000 ° C.2After forming the film 102, 100 nm of SiO is formed by the CVD method.2Film 103, 30 nm Si3N4A film 104 is sequentially deposited. In this example, SiO2The film 103 is monosilane (SiH4) And nitrous oxide (N2O) at a temperature of 750 ° C.3N4The film 104 is made of dichlorosilane (SiH2Cl2) And ammonia (NH3) At a temperature of 770 ° C.
Next, the Si film is formed by a well-known photolithography and dry etching method.3N4104 / SiO2After sequentially etching the layered film 103, the above-described SiO 2 was added with 1% HF aqueous solution.2The side wall of the film 103 is etched to form Si3N4The film 104 is made to recede from the pattern edge. In this case, Si3N4104 is SiO2Since the etching rate is slower than 103, the SiO2The side wall of the film is Si3N4Retreat from the edge of the film. In this example, the recession of about 15 nm was performed by etching.
Subsequently, in FIG. 1B, after depositing an amorphous Si film having a thickness of 4 nm by the CVD method, heat treatment is performed in a nitrogen atmosphere at 800 ° C. to convert the amorphous Si film into the polycrystalline Si film 105. Convert. In this embodiment, monosilane (SiH) is used for depositing an amorphous Si film.4) At a temperature of 520 ° C., but disilane (Si2H6) Is of course possible.
Next, in FIG. 1C, the polycrystalline Si film 105 is etched by anisotropic dry etching. According to anisotropic dry etching, Si3N4Since the portion serving as a mask in the film 104 is not etched, SiO 22The film 103 pattern side wall is almost SiO.2Polycrystalline Si film patterns 105 (a) and 105 (b) corresponding to the film thickness are formed.
What is important in this embodiment is that the Si film is more than the thickness of the ultra-thin polycrystalline Si105.3N4Film 104 pattern edge to SiO2The film 103 is retracted. SiO2A method for preventing the film 103 from retreating, that is, Si3N4When the film 104 is not used as a mask, SiO2Since the polycrystalline Si film 105 on the sidewall of the film 103 is also etched, a desired width cannot be ensured.
This method is characterized in that a width of 100 nm or less can be formed with good controllability, and that the cross-sectional shape of the ultra-thin polycrystalline Si film 105 is a U-shape.
[0018]
(Example 2)
Next, a second channel forming embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
In FIG. 2A, a 500 nm SiO film is formed on the single crystal Si substrate 201 by the same method as in the first embodiment.2Film 202, SiO2Film 203 and Si3N4After forming the film 204, Si3N4204 / SiO2The 203 laminated film is patterned. After this, the exposed SiO using 1% HF aqueous solution2The side wall of the film 203 is etched by 15 nm.
Subsequently, in FIG. 2B, a 4 nm amorphous Si film and a 10 nm SiO film are formed by CVD.2A film 206 is sequentially deposited (FIG. 2B). The amorphous Si film is made of 10 nm SiO.2When the film 206 is deposited, the film 206 is converted into the polycrystalline Si film 205 depending on the temperature in the furnace (750 ° C.).
Next, in FIG. 2 (c), the SiO 2 is etched by anisotropic dry etching.2The film 206 and the polycrystalline Si film 205 are sequentially etched to obtain SiO2The polycrystalline Si film 205 is left on the side wall of the film 203 pattern.
According to this method, when the polycrystalline Si film 205 is etched, 10 nm of SiO2Since the film 206 serves as a protective film, it is possible to obtain a high-quality polycrystalline Si film 205 that is completely free from plasma damage and contamination.
[0019]
(Example 3)
Next, a third embodiment of channel formation according to the present invention will be described with reference to FIG.
3A, a P-type (100) single crystal Si substrate 301 is thermally oxidized in a water vapor atmosphere at 1000 ° C.2After forming the film 302, 50 nm Si is formed by CVD.3N4Film 303, 50 nm SiO2Film 304, 30 nm Si3N4A film 305 is sequentially deposited.
Next, the Si film is formed by a known photolithography and dry etching method.3N4305 / SiO2After sequentially etching the 304 laminated film, the above-described SiO 2 was added with 1% HF aqueous solution.2The side wall of the film 304 is etched to form Si3N4Retreat from the film 305. In this example, etching of about 10 nm was performed. Subsequently, 800 ° C. ammonia (NH3) Heat treatment for 10 minutes in atmosphere, CVD-SiO2The side wall of the film 304 is nitrided.
Next, in FIG. 3B, after depositing an amorphous Si film having a thickness of 2.5 nm by the CVD method, heat treatment is performed in a nitrogen atmosphere at 900 ° C. for 30 seconds using a short-time lamp annealing method. The amorphous Si film is converted into a polycrystalline Si film 306. In this embodiment, disilane (Si2H6) At a temperature of 450 ° C.
The thin Si film deposited by the CVD method is closely related to the nucleation density of the underlying surface, and a thin continuous film cannot be obtained on a film having a low nucleation density. In general, SiO2Si compared to the film3N4Since a thinner continuous film can be obtained by depositing on the film, the underlying film of the ultra-thin Si film is SiO.2A membrane is not preferred. However, if thermal nitridation is performed in an ammonia atmosphere before depositing the Si film, a thin continuous film can be obtained regardless of the type of the underlying film. In this example, Si3N4305 / SiO2After patterning 304, nitriding with ammonia was performed.2Similar results can be obtained by performing nitriding immediately after deposition of 304.
On the other hand, the grain size of the polycrystalline Si film varies greatly depending on the film thickness and the crystallization method. In order to obtain a smaller grain size, it is effective to reduce the Si film thickness and to perform crystallization at a high temperature in a short time. The grain size of the polycrystalline Si film 306 produced in this example was 3 to 8 nm, and very fine crystal grains were obtained.
Next, in FIG. 3C, CVD-SiO serving as a protective film for etching the polycrystalline Si film 306 by the same method as in the second embodiment.2After the film 307 is deposited to a thickness of 10 nm, the CVD-SiO 2 is formed by anisotropic dry etching.2307 / Polycrystalline Si film 306 is sequentially etched to form nitrided SiO2A polycrystalline Si film 306 is left on the side wall of the film 204 pattern.
[0020]
(Example 4)
Next, as a fourth example, an example of an ultra-thin polycrystalline Si transistor manufactured using the method shown in Examples 1 and 3 will be shown (FIGS. 4 to 8 and FIGS. 13 to 14). FIGS. 4 to 8 show the manufacturing process of this embodiment, FIG. 13 shows an equivalent circuit diagram of the memory array portion of the ultra-thin polycrystalline Si transistor prototyped in this embodiment, and FIG. 14 shows the plane of the memory array portion. Each layout diagram is shown.
4 and 14, a P-type (100) single crystal Si substrate 401 is thermally oxidized to form a 500 nm SiO film.2After forming the film 402, 50 nm Si is formed by CVD.3N4A film 403 and a 70 nm phosphorus-doped polycrystalline Si film 404 containing phosphorus at a high concentration are sequentially deposited. Subsequently, the phosphorus-doped polycrystalline Si film 404 is patterned by krypton fluoride (KrF) excimer laser lithography and dry etching, and common source lines 404 (a), 601 serving as the source and drain of the polycrystalline Si transistor. And data lines 404 (b), 602 (a), and 602 (b). In this embodiment, monosilane (SiH) is used for depositing the phosphorus-doped polycrystalline Si films 404, 601, and 602.4) And phosphine (PH3) Gas was used for deposition at a temperature of 600 ° C. After this, 70 nm of SiO is formed by CVD.2Film 405, 30 nm Si3N4After sequentially depositing the film 406, Si is perpendicular to the common source lines 404 (a) and 601 and the data lines 404 (b), 602, (a) and (b).3N4406 / SiO2Patterning of the 405 laminated film is performed.
[0021]
Next, in FIGS. 5 and 14, the above-mentioned 70 nm SiO is used by using 1% hydrofluoric acid aqueous solution.2The side wall of the film 405 is etched to form Si3N4After retreating about 15 nm from the pattern edge of the film 406, heat treatment is performed in an ammonia atmosphere at 750 ° C.2The side wall portion of the film 405 is nitrided. Subsequently, an amorphous Si film having a thickness of about 3 nm is deposited by CVD, and then heat-treated at 900 ° C. for 30 seconds by short-time annealing to convert the amorphous Si film into polycrystalline Si films 407 and 603. Convert. In this embodiment, monosilane (SiH) is used for depositing the amorphous Si film.4) At a temperature of 500 ° C.
[0022]
Next, in FIGS. 6 and 14, the polycrystalline Si films 407 and 603 are etched by anisotropic dry etching. Si3N4Since the portion where the film 406 serves as a mask is not etched, Si3N4406 / SiO2A pattern of a polycrystalline Si film 407 having a thickness of about 3 nm and a width of about 70 nm is formed around the 405 laminated film.
[0023]
Next, in FIGS. 7 and 14, after a photoresist pattern 408 is formed in a predetermined shape by excimer lithography,IsotropicUnnecessary portions of the polycrystalline Si film 407 by dry etching technology (in FIG. 7B, common source line 404 (a), both end portions of 405 parallel to the wiring of the data line 404 (b), and the channel layer in FIG. Etch the removed part). In this step, the polycrystalline Si film patterns 407 (a), 407 (b), and 603 are individually insulated.
Next, after performing an oxygen plasma ashing process to remove the photoresist pattern 408, the wafer surface is cleaned with a dilute hydrofluoric acid aqueous solution.
[0024]
Next, in FIG. 8 and FIG. 14, the SiO which becomes the gate insulating film 409 by the CVD method.2After depositing 20 nm of the film 409 and 50 nm of the phosphorus-doped polycrystalline Si films 410 and 604 to be the gate electrodes 410 and 604, the phosphor-doped polycrystalline Si films 410 and 604 are patterned by excimer laser lithography and dry etching to form word lines ( Gate electrode) 410 (a), 410 (b), 604.
[0025]
13 and 14, KrF excimer laser lithography and phase shift technology are applied to patterning the common source line 601, the data lines 602 (a) and (b), and the word line 604. A line / space of 16 μm (pitch 0.32 μm) was realized. Further, the line width of the ultra-thin polycrystalline Si film 603 in which the channel is formed has achieved 70 nm which is less than the optical lithographic fee resolution limit.
[0026]
(Example 5)
Next, a fifth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 9 to 12 and FIGS. 15 to 16. 9 to 12 show the manufacturing process of this embodiment, FIG. 15 shows an equivalent circuit diagram of the memory array portion of the ultra-thin polycrystalline Si transistor prototyped in this embodiment, and FIG. 16 shows a plan view of the memory array portion. A layout diagram is shown.
In FIG. 9, a 500 nm SiO film is formed on the single crystal Si substrate 501 in the same manner as in the third embodiment.2Film 502, 50 nm CVD-Si3N4After forming the film 503 and the 50 nm phosphorus-doped polycrystalline Si film 504, the phosphorus-doped polycrystalline Si film 504 is patterned to obtain common source lines 504 (a) and 701, and data lines 504 (b) and 702 (a). , (B). Next, 50 nm CVD-SiO2Film 505, 30 nm CVD-Si3N4After sequentially depositing film 506, Si3N4506 / SiO2505 / Si3N4The 503 laminated insulating film is processed into a predetermined shape. Subsequently, the SiO of the laminated insulating film with 1% hydrofluoric acid aqueous solution2The side wall portion of the film 505 is etched to recede 20 nm from the pattern edge. Thereafter, heat treatment is performed for 10 minutes in an ammonia atmosphere at 750 ° C., and SiO 22Nitridation is performed on the side wall portion of the film 505.
[0027]
Next, in FIGS. 10 and 16, disilane (Si2H6After depositing a 6 nm amorphous Si film by a CVD method using thermal decomposition of the above), the amorphous Si film is oxidized by a short-time oxidation method by lamp heating to be converted into polycrystalline Si films 507 and 703. And 6nm SiO2A film 508 is formed. In this example, the SiO2A film 508 was formed in a dry oxygen atmosphere at 1000 ° C. This SiO2With the formation of the film 508, the thickness of the polycrystalline Si films 507 and 703 is reduced from 7 nm during deposition to 3 nm, and at the same time, the polycrystalline Si films 507 and 703 are protected from damage caused by dry etching, contamination, Become. Next, SiO serving as a protective film for etching the polycrystalline Si films 507 and 7032508 film and polycrystalline Si films 507 and 703 are sequentially etched to form nitrided SiO2Polycrystalline Si films 507 and 703 are left on the side walls of the film 505 pattern.
[0028]
Next, in FIGS. 11 and 16, the SiO 2 film on the polycrystalline Si film 507 is diluted with 1% dilute hydrofluoric acid aqueous solution.2After removing the 508 film, a photoresist pattern is formed in a predetermined shape by an excimer lithography method as in Example 4, and unnecessary portions of the polycrystalline Si films 507 and 703 are formed by an isotropic dry etching technique (common in FIG. 11). The both end portions of 505 parallel to the wiring of the source line 504 (a) and the data line 504 (b) and the channel layer removal portion in FIG. 16) are etched. In this step, the polycrystalline Si film patterns 507 (a), 507 (b), and 703 are individually insulated.
[0029]
Next, in FIG. 12 and FIG. 16, SiO which becomes the gate insulating film 509 by the CVD method.2After depositing a film 509 with a thickness of 20 nm and phosphorus-doped polycrystalline Si films 510 and 704 to be gate electrodes 510 and 704 with a thickness of 50 nm, the phosphorous-doped polycrystalline Si films 510 and 704 are patterned by excimer laser lithography and dry etching to form word lines ( Gate electrodes) 510 and 704.
[0030]
As shown in FIGS. 15 and 16, in this embodiment, two independent transistors operate with one gate electrode (word line) 704. That is, since the drain current is rate-controlled in a transistor having a lower threshold value, variation in threshold value between elements can be reduced as compared with the case of one transistor. In this embodiment, two transistors are controlled by the same gate electrode. However, two or more controls are possible. Further, the line width of the ultra-thin polycrystalline Si film 703 in which the channel is formed has reached 50 nm which is below the optical lithographic fee resolution limit.
[0031]
【The invention's effect】
According to the single electronic device of the present invention, the width of the ultra-thin polycrystalline Si film can be controlled by the thickness of the underlying insulating film, so that even a width of 100 nm or less can be controlled very easily. In addition, since ordinary optical lithography and excimer laser lithography techniques can be applied, mass productivity is dramatically improved. Therefore, a semiconductor memory element using a single electronic element can be easily configured.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a sectional view showing a second embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a cross-sectional view showing a third embodiment of the present invention.
4A and 4B are a plan view and a sectional view showing a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a plan view and a cross-sectional view showing a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a plan view and a cross-sectional view showing a fourth embodiment of the present invention.
7A and 7B are a plan view and a cross-sectional view showing a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a plan view and a cross-sectional view showing a fourth embodiment of the present invention.
9A and 9B are a plan view and a cross-sectional view showing a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a plan view and a sectional view showing a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a plan view and a sectional view showing a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a plan view and a cross-sectional view showing a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 13 is an equivalent circuit diagram of a memory array section showing a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 14 is a plan layout view of a memory array section showing a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 15 is an equivalent circuit diagram of a memory array section showing a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 16 is a plan layout view of a memory array section showing a fifth embodiment of the present invention;
17A and 17B are a plan view and a cross-sectional view illustrating a conventional method.
FIG. 18 is a supplementary diagram illustrating a single electronic element.
FIG. 19 is a supplementary diagram for explaining problems of a single electronic device.
[Explanation of symbols]
101, 201, 301, 401, 501, 801 .......... Crystal Si substrate
102, 202, 302, 402, 502, 802 ............ Si thermal oxide film
103, 203, 304, 405, 505 ... CVD-SiO2
104,204,303,305403,406,503,506 ......... CVD-Si3N4
105, 205, 306, 407, 507, 804 ... Ultra-thin polycrystalline Si (channel layer)
409, 509, 805 ……………………………… Gate oxide film
410, 510, 604, 704, 806 .................. Gate electrode (word line)
404 (a), 504 (a), 601, 701, 803 (a) ......... Source (common source line)
404 (b), 504 (b), 602, 702, 803 (b) ......... Drain (data line)

Claims (10)

ソースとドレインと前記ソースとドレイン間に接続された多結晶シリコン薄膜内に電流経路となるチャネルが形成されるとともに前記チャネルからはじき出された電子が注入できる程度の前記チャネル近傍に電子を蓄積する蓄積ノードとして作用するグレインが形成される前記多結晶シリコン薄膜からなるチャネル層を有する絶縁ゲート型電界効果トランジスタとしての単一電子素子において、
上記ソースとドレインをまたぎ、かつチャネル層の幅に相当する厚さの絶縁膜を有し、その側壁に上記チャネル層を形成したことを特徴とする単一電子素子。
Accumulation of electrons in the vicinity of the channel such that a channel serving as a current path is formed in the polycrystalline silicon thin film connected between the source, the drain, and the source and the drain, and electrons ejected from the channel can be injected. In a single electronic device as an insulated gate field effect transistor having a channel layer made of the polycrystalline silicon thin film in which grains acting as nodes are formed,
A single electronic device comprising an insulating film having a thickness corresponding to the width of a channel layer, straddling the source and drain, and the channel layer formed on a sidewall thereof.
請求項1記載の単一電子素子において、上記チャネル層の膜厚が10nm以下で、チャネル層の幅が100nm以下であることを特徴とする単一電子素子。2. The single electronic device according to claim 1, wherein the thickness of the channel layer is 10 nm or less and the width of the channel layer is 100 nm or less. 請求項1または請求項2記載の単一電子素子において、上記チャネル層の断面形状がコの字形であることを特徴とする単一電子素子。3. The single electronic device according to claim 1, wherein the channel layer has a U-shaped cross section. 請求項1から請求項3の何れかに記載の単一電子素子において、上記チャネル層に接しているチャネル層の幅に相当する厚さの前記絶縁膜の側壁の表面に、窒素原子が含まれていることを特徴とする単一電子素子。4. The single electronic device according to claim 1, wherein nitrogen atoms are included in a surface of the side wall of the insulating film having a thickness corresponding to a width of the channel layer in contact with the channel layer. A single electronic device characterized by comprising: 請求項1から請求項4の何れかに記載の単一電子素子において、上記チャネル層の表面に保護膜としての絶縁膜を備えることを特徴とする単一電子素子。5. The single electronic device according to claim 1, further comprising an insulating film as a protective film on a surface of the channel layer. 6. 複数のデータ線と、これに交叉するワード線と、その交叉する位置に記憶素子を有するメモリアレー構成の半導体記憶装置において、
上記記憶素子が請求項1から請求項5の何れかに記載の単一電子素子であり、該単一電子素子のソースとドレインをそれぞれ隣合うデータ線に接続し、ゲートをワード線に接続した構成を備えることを特徴とする半導体記憶装置。
In a semiconductor memory device having a memory array configuration having a plurality of data lines, a word line intersecting with the data lines, and a memory element at the intersecting position,
The single electronic element according to any one of claims 1 to 5, wherein the storage element is connected to a data line adjacent to the source and drain of the single electronic element, and a gate is connected to a word line. A semiconductor memory device comprising the structure.
請求項6記載の半導体記憶装置において、複数の単一電子素子が、それぞれのソースを共通のデータ線に接続し、該共通のデータ線を挟んで隣合うデータ線にそれぞれのドレインを接続し、さらにそれぞれのゲートを共通のワード線に接続する構成を備えることを特徴とする半導体記憶装置。The semiconductor memory device according to claim 6, wherein a plurality of single electronic elements connect each source to a common data line, and connect each drain to adjacent data lines across the common data line, Further, a semiconductor memory device characterized in that each gate is connected to a common word line. 請求項7記載の半導体記憶装置において、上記複数の単一電子素子の複数組がさらにワード線を共通にする構成を備えることを特徴とする半導体記憶装置。8. The semiconductor memory device according to claim 7, further comprising a configuration in which a plurality of sets of the plurality of single electronic elements further share a word line. シリコン基板上に、その基板の表面層を形成させる第1の絶縁膜を形成し前記第1の絶縁膜上に単一電子素子のソース、ドレインとなる導電体膜を形成した後、前記導電体膜および第1の絶縁膜上にチャネル層の下地膜としてチャネル層の幅に相当する厚さの第2の絶縁膜と、その第2の絶縁膜よりエッチングレートの遅い第3の絶縁膜とを順次形成する工程と、前記第2、第3の絶縁膜を前記導電体膜に直交する形状に加工する工程と、前記第3の絶縁膜と第2の絶縁膜のエッチングレートの違いを用いて前記第2の絶縁膜の側壁をエッチングして、第3の絶縁膜のエッジ部分より後退させて前記第1、第2、第3の絶縁膜からなるコの字形の断面形状を形成する工程と、上記第1、第2、第3の絶縁膜上に多結晶シリコン膜を形成する工程と、前記多結晶シリコン膜を異方性ドライエッチングによりエッチングして前記第1、第3の絶縁膜上の前記多結晶シリコン膜を除去して、前記第2の絶縁膜の側壁に電流経路となるチャネルが形成されるとともに前記チャネルからはじき出された電子が注入できる程度の前記チャネル近傍に電子を蓄積する蓄積ノードとして作用するグレインが形成される多結晶シリコン膜を残し、前記ソース、ドレインとなる導電体膜間をつなぐチャネル部分を形成する工程と、前記チャネル部分の上にゲート絶縁膜、ゲート電極を形成する工程を少なくとも含むことを特徴とする単一電子素子の製造方法。A first insulating film for forming a surface layer of the substrate is formed on a silicon substrate, and a conductor film serving as a source and drain of a single electronic device is formed on the first insulating film, and then the conductor A second insulating film having a thickness corresponding to the width of the channel layer as a base film of the channel layer on the film and the first insulating film, and a third insulating film having an etching rate slower than that of the second insulating film Using the difference in the etching rate between the third insulating film and the second insulating film, the step of sequentially forming, the step of processing the second and third insulating films into a shape orthogonal to the conductor film, and Etching the side wall of the second insulating film and retreating from the edge portion of the third insulating film to form a U-shaped cross-sectional shape of the first, second, and third insulating films; A process for forming a polycrystalline silicon film on the first, second, and third insulating films. When, wherein the polycrystalline silicon film is etched by anisotropic dry etching the first, third and removing the polycrystalline silicon film on the insulating film, a current path on the side wall of the second insulating film A polycrystalline silicon film in which grains acting as storage nodes for accumulating electrons are formed in the vicinity of the channel to the extent that electrons ejected from the channel can be injected and become the source and drain A method of manufacturing a single electronic device, comprising: a step of forming a channel portion connecting between conductor films; and a step of forming a gate insulating film and a gate electrode on the channel portion. 複数のデータ線と、これに交叉するワード線と、その交叉する位置に記憶素子を有するメモリアレー構成の半導体記憶装置の製造方法において、上記記憶素子の形成工程に、請求項9記載の単一電子素子の製造方法の工程を含むことを特徴とする半導体記憶装置の製造方法。10. The method of manufacturing a semiconductor memory device having a memory array configuration having a plurality of data lines, word lines intersecting with the data lines, and memory elements at the intersecting positions, wherein the memory element forming step includes: A method of manufacturing a semiconductor memory device, comprising a step of a method of manufacturing an electronic element.
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